Proprietăți mecanice și mecanisme de rupere ale betonului armat cu fibre: Influența tipului și conținutului de fibre
Betonul este cel mai utilizat Construcții material. Acesta oferă numeroase avantaje, inclusiv disponibilitatea sa pe scară largă, procesul de producție simplu, costul redus și ușurința în aplicare. Este utilizat pe scară largă în diverse domenii, cum ar fi clădiri, drumuri, poduri, tuneluri și inginerie hidraulică. Pe măsură ce s-au dezvoltat un număr mare de proiecte inginerești, cerințele privind performanța betonului au crescut treptat. În consecință, au devenit evidente deficiențele betonului tradițional, cum ar fi rezistența insuficientă la tracțiune, rezistența slabă la fisuri și instabilitatea volumului. Prin urmare, îmbunătățirea performanței betonului a fost în mod constant una dintre direcțiile cheie de cercetare în ingineria civilă.
Pentru a îmbunătăți performanța betonului, se adaugă de obicei fibre pentru a-i îmbunătăți proprietățile mecanice și rezistența. Exemplele includ Fibră de oțels (SF), fibre sintetice (cum ar fi fibrele de polipropilenă), fibre minerale (cum ar fi fibrele de bazalt - BF) și fibre de carbon (CF). Această abordare a sporit și mai mult performanța betonului de înaltă performanță (HPC) și a betonului de ultra-înaltă performanță (UHPC).
Fibrele pot, într-o oarecare măsură, să îmbunătățească proprietățile mecanice ale betonului. Cu toate acestea, diferitele tipuri și conținuturi de fibre duc inevitabil la variații semnificative ale impactului lor asupra proprietăților mecanice ale betonului. În prezent, conținutul optim de fibre, relația cantitativă dintre parametrii relevanți și proprietățile mecanice, precum și mecanismele care stau la baza betonului armat cu fibre necesită încă clarificări suplimentare. Acest studiu a investigat fibrele de carbon (FC), fibre de bazalt (BF) și fibre de oțel (SF) ca subiecți de cercetare, preparând specimene de beton cu conținut variabil de fibre. Aceste fibre au fost alese datorită îmbunătățirii performanței lor bine documentate în beton și aplicării pe scară largă. Prin experimente cu variabile controlate, efectele tipului și conținutului de fibre asupra rezistenței la compresiune, modulului de elasticitate și modului de cedare al betonului au fost analizate sistematic. Combinând tehnici de analiză a imaginii digitale și a microscopiei electronice cu scanare (SEM), a fost observat comportamentul de evoluție a fisurilor din betonul armat cu fibre în timpul experimentelor, conducând la următoarele concluzii:
1. Comparativ cu betonul obișnuit (PC), încorporarea fibrelor de oțel (SF), a fibrelor de carbon (CF) și fibre de bazalt (BF) a îmbunătățit semnificativ proprietățile mecanice ale betonului armat cu fibre (FRC) și a modificat modul său de cedare. Aceste fibre au modificat compactitatea betonului și caracteristicile inițiale de compresie a porilor. Pe măsură ce conținutul de fibre a crescut, modul de cedare s-a schimbat de la fragil la ductil. Punctul critic de tranziție a fost de 0,5% pentru betonul cu fibre de oțel (SFC) și de 1,0% atât pentru betonul cu fibre de carbon (CFC), cât și pentru betonul cu fibre de bazalt (BFC). Pentru a maximiza performanța mecanică, conținutul optim pentru fibrele de oțel a fost de 2,0%, pentru fibrele de carbon de 1,0% și pentru fibrele de bazalt de 0,5%.
2. Deși conținutul de fibre poate îmbunătăți compactitatea și capacitatea portantă a betonului, un conținut excesiv de ridicat poate duce la un fenomen de „saturație”, provocând „aglomerarea” fibrelor. Acest lucru are un impact negativ asupra proprietăților fizice, rezistenței și caracteristicilor de deformare ale betonului. Betonul cu fibre de oțel a atins performanța optimă la o fracție volumică de fibre de 2,0%, în timp ce betonul cu fibre de carbon și betonul cu fibre de bazalt au atins performanța optimă la 1,0% și, respectiv, 0,5%. Dincolo de aceste conținuturi optime, performanța a scăzut.
3. Analiza prin microscopie electronică cu scanare (SEM) a relevat că legătura interfacială dintre fibre și matricea cimentoasă influențează semnificativ proprietățile mecanice macroscopice ale betonului. O cantitate adecvată de fibre formează o structură densă de rețea tridimensională în interiorul betonului, sporind conectivitatea matricei și performanța generală. Cu toate acestea, un conținut excesiv de ridicat de fibre duce la aglomerarea fibrelor, creând regiuni interfaciale slabe și reducând densitatea și rezistența betonului. Modificările microstructurii au fost în mare măsură în concordanță cu evoluția proprietăților mecanice macroscopice.
4. Adăugarea de fibre a modificat semnificativ modul de cedare al betonului. Comparativ cu betonul simplu, betonul armat cu fibre a prezentat o integritate post-cedare mai mare, cu fisuri mai puține și mai înguste și o tenacitate sporită. Fibrele de oțel au fost cele mai eficiente în inhibarea fisurilor, urmate de fibrele de carbon și fibrele de bazalt. „Efectul de punte” al fibrelor a jucat un rol crucial în suprimarea propagării fisurilor, în timp ce „efectul de interfață slabă” a avut un impact negativ asupra proprietăților mecanice.
